大功率巖石掘進機的研制及應用

張蘭勝，魏景生，楊 陽，宋月輝

(石家莊煤礦機械有限責任公司，石家莊 050031)

1 前言

隨著我國經濟的高速發展，對能源的需求也越來越大。我國能源結構中，有70%來源于煤炭，其中95%煤礦為井工開采，隨著綜采機械化程度的不斷提高，工作面準備速度明顯落后，采掘比例失調矛盾突出;新建礦井和我國東部各產煤礦巖巷開拓任務重。目前煤礦巖巷掘進作業幾乎全部采用爆破法，效率低、成巷質量差、安全性差;重型巖巷掘進機在國外應用相對較多，我國極少數煤礦引進使用，掘進效果不錯，但存在價格高昂、維修服務困難、沒有自主知識產權等問題，因此進口巖石掘進機在國內的推廣受到了制約。我國還沒有真正意義上的重型巖巷掘進機，巖巷機械化掘進成為各礦普遍存在的技術難題。各礦務局都在尋求安全、高效、低成本的巖巷機械化掘進方式。因此開發一種具有自主知識產權、技術先進、適應我國煤礦巖巷掘進要求、成本低廉的巖巷掘進機，以解決我國煤礦采掘失調矛盾，促進煤礦高效安全生產，是非常必要的[1～4]。

根據筆者等多年制造和使用掘進機的經驗，不斷研究優化掘進機的結構和適應性，通過充分調研對比國內外先進掘進機的技術及應用情況，研究開發了EBH300(A)巖石掘進機，多項技術屬國內外領先的新技術和創新技術，代表了國內掘進機的發展趨勢。主要包括:重型巖巷掘進機整體設計技術、高可靠性部件設計技術、無極調速變量自動控制液壓系統技術、全遙控智能型電控系統。

2 重型巖巷掘進機整體設計技術

為了使該設備能夠適應井下巖石巷道掘進，首先對半煤巖掘進機在切割巖石時存在的問題進行了分析匯總，通過大量的調研發現，掘進機在進行巖巷掘進時主要存在以下問題:a.截割硬度低，截割頭壽命短;b.工作時機身振動大，穩定性差;c.裝運系統易卡鏈、易磨損;d.整機可靠性差。

針對以上問題，在整機設計上主要從以下幾點進行了研究。

1)截割形式的確定。破巖能力是巖石掘進機的一個重要指標，通過對截齒與巖壁的接觸狀況分析，利用模擬運動仿真，發現橫軸掘進機在巖巷掘進作業中與縱軸掘進機相比具有一定的優勢，截齒運動軌跡相對比較確定，截齒與巖石接觸時入切角更加接近理論破巖角度，因此選用橫軸截割形式[5～7]。

2)整機參數的確定?？紤]巖石掘進機在截割時的整機穩定性問題，設備應具有足夠的重量來克服因截割巖石造成的整機振動，同時為了有效地利用自身重量提高整機穩定性，對履帶中心距及履帶的接觸長度進行了定性分析，同時考慮整機對巖巷斷面的適應性，建立了整機模擬工況時的載荷譜，通過對載荷譜的分析，優化了整機結構、重心位置等，最終確定設備重125 t，整機寬度不大于3 m，履帶接地長度不小于4.5 m，適應坡度±18°，截割高度不小于5.5 m，截割寬度不小于8 m，最大切割硬度不小于f12。

3)裝運系統動力參數的確定。由于巖巷掘進機使用工況惡劣，結合巖石裝運易卡鏈、易磨損的特點，裝運系統采用分裝分運電機驅動，加大裝載運輸驅動能力，充分利用電機的過載能力，最終確定星輪及第一運輸機分別采用37 kW電機驅動。運輸系統結構件選用了特殊的耐磨材料，提高耐用度和壽命。

4)液壓系統的確定。該掘進機重量大、功率大、負載沖擊也大，為保證各部的動作靈活，同時保證節能及系統的可靠性，研究開發了雙變量負載敏感電磁比例控制系統，系統壓力25 MPa。

5)電氣系統的確定。該設備主要用來進行巖巷開拓，設備外形尺寸較普通掘進機大，研究了全遙控控制、自動截割成形技術，既便于操作又有利于巷道成形，同時電氣系統具有智能診斷、齊全的保護功能，擴展能力強。

3 高可靠性部件設計技術

部件的可靠性是巖石掘進機是否能夠適應井下巖巷掘進工作最為關鍵的因素，因此針對掘進機各部件在掘進機工作過程中作用及特點的不同進行有針對性的設計和改進。

3.1 截割機構

截割機構是巖石掘進機的關鍵部件，截割機構性能的好壞直接影響掘進機的截割硬度、截割效率和使用壽命，在截割機構的設計中，進行了以下幾個方面的特殊設計(如圖1所示)。

1)截割部采用橫軸雙截割頭結構形式，截割巖石硬度和效率高，截割穩定性好;截割頭采用三維軟件仿真模擬設計，通過對截割頭截齒分布的研究及受力分析，合理排布截齒相對截割頭體及被截割巖石的角度，全包絡線多齒掩護切割，切割振動小，使之能有效地對巖石進行破碎、截割，截割頭磨損小，截齒損耗率低。

2)截割臂采用特殊的整體伸縮結構，大大增加了傳動剛性。通過伸縮油缸進行掘進的掏槽作業，進刀量、進刀力可控，有效解決了巖石掘進機依靠行走掏槽作業導致的強烈沖擊及悶車現象，同時有利于巷道的修形。

3)研究設計了截割部齒輪減速箱跨橋行星傳動結構，滿足了大功率、大傳動比、體積小的要求。傳動齒輪、軸承采用油泵強制潤滑方式，同時減速箱殼體采用迷宮水沖刷冷卻方式，改善了減速箱的散熱方式，降低了減速箱的溫度，延長了齒輪、軸承的使用壽命。

圖1 截割部機構示意圖Fig.1 Cutting units

3.2 裝運部

裝運部由鏟板部(見圖2)和第一運輸機組成，用來裝運掘進機破碎下來的巖石。裝運的運輸能力及防卡鏈、防磨損是設計的關鍵，該巖石掘進機的裝運部具有以下特點。

1)裝運部采用分裝分運，有效降低了裝運故障。

2)星輪及運輸分別采用37 kW電機驅動，輸出力量大，過載能力強，有效地解決了由于巖石擠掩造成的卡鏈問題。

3)鏟板部及運輸部采用全封閉回鏈連接形式，回鏈運行平穩，無卡阻，防跳鏈，杜絕了因跳鏈導致的卡鏈問題。

圖2 鏟板結構示意圖Fig.2 Structure of apron

4)鏟板采用大俯角前探式設計，縮短了機尾輪與巖壁之間的距離，最大限度地實現物料裝運，裝巖效果好。

5)應用特殊符合耐磨鋼板，大大提高了裝運機構的使用壽命。

3.3 本體部

本體部是其他各部件連接的基礎，本體的結構合理性直接關系整機的布置和設備的可靠性，如圖3所示。

圖3 本體部結構示意圖Fig.3 Structure of major body

1)本體部主機架采用鑄造、焊接相結合的工藝方式，通過有限元進行強度分析，結構合理，強度高。

2)本體架采用分體U形連接結構，解體尺寸小，連接可靠，適合我國煤礦條件要求。

3)后架采用滑靴式橫向后支撐設計，減小了接地比壓，方便了機身位置左右調整，可在無行走情況下實現小角度的機身位姿調整。

4)回轉部采用新型回轉齒輪齒條傳動替換傳統的回轉油缸傳動，結構緊湊、傳動平穩，實現了截割臂擺動恒力量輸出。

5)回轉支承研究了摩擦盤與調心滾子軸承相結合的方式，高壓潤滑脂強制潤滑，與傳統回轉支承相比剛性好、抗振動載荷能力強。

3.4 行走部

行走部驅動形式設計為液壓馬達與減速機高度集成結構。履帶采用履帶板和連接銷軸復合結構，使更換履帶板更容易，在履帶架外側設有檢查窗口，履帶漲緊油缸可從履帶外側安裝或取出。掘進機工作時震動大，履帶架與本體的聯接要具有足夠的放松能力，保證連接的可靠性，首次研究應用了高壓液壓螺母連接，預緊力可控，連接可靠。

3.5 潤滑系統

筆者等對整機潤滑系統進行了著重研究，在將重載的運動副設計了集中自動潤滑系統，潤滑可靠，自動化程度高，從而大大降低了整機的維護時間和設備維護人員的勞動強度。

4 具有國際先進水平的液壓系統

1)EBH300(A)巖石掘進機液壓系統采用了變量、比例、負載敏感控制技術，一個泵對應多個執行機構。該系統具有低壓非工作狀態泵擺角為最小，高壓溢流狀態實現壓力切斷、泵出流量最小的特點，這樣既減少了能耗，又降低了系統的溫升。

2)主閥采用防爆電磁換向閥，實現機、電、液各系統關聯控制，是整機實現遙控智能控制的中心紐帶，也使得整機更加智能，操作更為簡單方便。

3)升降、回轉油缸采用緩沖減震技術、升降油缸加反沖補油，保證升降、回轉運行的平穩性、準確性，解決掘進機升降油缸損壞頻繁的難題。

4)行走系統采用雙變量負載敏感技術實現智能判斷負載，自動實現雙速切換控制。

5)反饋油路加裝防爆安全切斷控制閥，只要發出指令，該閥即將反饋油路切斷，任何操作都不能使掘進機行走與擺動，保證非常時刻人員的安全。

除以上技術外，該液壓系統還配備有先進的自動加油系統、精良的高壓過濾裝置、先進的冷卻裝置、嚴格的油品保證要求。所有這些都為系統高可靠性提供了保障，液壓系統原理圖如圖4所示。

5 全遙控智能型電控系統

石家莊煤礦機械有限責任公司承擔國家“十一五”863計劃重點項目“煤礦井下采掘裝備遙控關鍵技術”課題“掘進機遠程控制技術及監測系統”，“863”部分研究成果成功推廣到硬巖掘進機EBH300(A)，使掘進機電控水平達到了國內領先、世界一流。

EBH300(A)全遙控智能型電控系統，采用了多點編程技術實現掘進機自動成形截割。截割升降油缸與鏟板油缸內置磁滯傳感器，能夠根據預先設定的巷道斷面輪廓曲線完成自動截割成形操作。掘進機過程中控制系統根據機身上布置的傳感器得到截割頭的空間位置，然后根據預置的輪廓參數進行軌跡的跟蹤。工控機和可編程計算機控制器能夠共同分擔控制任務，通過總線通訊方式協調工作，整個截割過程不需要人為參與，大大減輕了勞動強度，提高了巷道成形質量。

圖4 液壓系統原理圖Fig.4 Diagram of hydraulic system

5.1 遙控系統

遙控發射機和接收機是實現遙控操作控制的關鍵部件，主要完成控制指令的可靠傳輸，其內部的工作原理涉及無線電電子學、數字電路學、微計算機技術和程序設計等多個專業方面，具有一定的復雜性。遙控操作信號傳輸方式大多采用無線電、紅外線和超聲波形式。采掘機械的遙控操作是近距離的遙控操作，操作距離一般在30 m以內。

如圖5所示，該設備遙控器防爆形式為礦用本質安全型，采用本安源供電，控制距離20 m左右，遙控器上設置有多個撥動開關和兩個指尖式萬向手柄，可以實現掘進機的全遙控操作。撥動開關可以實現電機啟停、顯示屏參數設置等操作，兩個萬向手柄分別控制截割臂和履帶動作。

礦用本質安全型遙控發射機是掘進機無線電遙控系統的重要組成部分。通過操作發射機上的相應按鈕，發載頻編碼信號，該信號經無線電接收機接收后，經解碼電路進行解碼，解碼后數據傳給電控箱內的控制器，接收機工作原理見圖6。

可編程計算機控制器可擴展多個RS232串行通訊端口，可編程計算機控制器的串口控制非常靈活，通過C語言進行串口通訊驅動程序設計，提高了編程速度。

圖5 遙控裝置圖片Fig.5 Picture of remote control device

5.2 斷面自動成形截割

懸臂掘進機工作時，通過截割頭旋轉和懸臂的垂直及水平擺動截割出所需斷面。截割頭在空間的行走軌跡決定截割斷面形狀，由懸臂相對于掘進機機體的垂直擺動與水平擺動以及截割頭的伸縮實現。垂直擺動與水平擺動是兩個分別獨立的液壓控制系統，既可以單獨實現截割頭垂直或水平運動，也可以實現復合運動，從而完成任意斷面形狀截割。

5.2.1 斷面自動成形控制策略

懸臂式掘進機截割頭在空間的行走軌跡決定截割斷面形狀，由懸臂相對于掘進機機體的垂直擺動與水平擺動實現。在截割中，根據斷面形狀和巷道高、寬尺寸控制懸臂不同位置擺動角，通過一定工藝過程循環作業，截割出所需斷面。

總控制框圖見圖7。

此控制方案的流程是通過截割頭空間軌跡檢測傳感裝置檢測截割頭空間位置，利用可編程計算機(PCC)獲取各個傳感器的信息，然后與智能工控面板進行通訊，將坐標信息傳遞給智能工控面板。智能工控面板中的自動截割控制程序將三路信號讀入后，根據程序中預先設定好的截割路徑及坐標參數發出控制信號，PCC根據收到的指令向電液比例閥組發出控制信號，控制各閥口的開閉順序，從而控制油缸的起停順序，最終控制截割頭按設計路徑準確截割獲得規整斷面。

5.2.2 自動成形截割控制系統

計算機工控機自動成形電控系統能夠根據預先輸入的巷道斷面輪廓曲線完成自動截割成形操作。掘進過程中控制系統根據機身上布置的傳感器計算得到截割頭的空間位置，然后根據預置的輪廓參數進行軌跡的跟蹤。工控機和可編程計算機控制器能夠共同分擔控制任務，通過通訊方式協調工作，整個截割過程不需要人為參與，大大減少了勞動強度、保證了工作質量。

5.2.2.1 硬件系統

該電控系統包括控制器、按鈕操作箱、顯示器及外圍傳感器，系統組成框圖見圖8。

圖6 遙控裝置原理圖Fig.6 Diagram of remote control device

圖7 基于PCC電控系統的截割斷面自動成形控制方案圖Fig.7 Diagram of cutting section automatic modeling control based on PCC electrical control system

圖8 自動成形截割控制框圖Fig.8 Diagram of automatic modeling cutting control

1)控制器。系統采用工控機(IPC)和可編程計算機控制器(PCC)相結合的控制方式?？删幊逃嬎銠C控制器(PCC)是一種不同于可編程邏輯控制器(PLC)和工業控制計算機(IPC)的新一代控制器。PCC中采用分時多任務操作系統，擺脫了PLC中單個程序對硬件的依賴，能夠方便地處理設計中的開關量、模擬量，能夠靈活地進行回路調節，而且能夠使用高級語言編程。

IPC功能強大，界面友好，但IPC模式開發周期長、安裝體積大、擴展性差，且IPC模式主要是通過接口板轉換各種信號，存在干擾問題，PCC要可靠的多。因此確定了IPC為上位機，PCC為下位機的控制模式。

IPC在圖形處理和大數據量浮點運算方面的能力是普通PLC無可比擬的，在該系統中采用IPC作為上位機，通過通訊接口與下位機PCC進行通訊，傳感器數據及操作指令通過PCC進行采集，IPC只負責掘進機姿態計算、截割圖形顯示、自動截割過程中的輪廓邊界判斷等需要大數據量運算但不需要高速響應的的地方。

2)截割頭空間位置檢測裝置。截割頭相對于掘進機機體的空間位置檢測是實現巷道斷面自動成形的核心。通過截割頭運動學分析確定截割頭空間位置檢測裝置組成，包括截割頭行程傳感器測量、截割頭伸縮量、截割臂傾角傳感器測量、截割臂垂直擺角、回轉臺測速傳感器測量、截割臂水平擺角。

a.行程傳感器。借鑒液壓支架電液控制系統，用于測截割頭伸縮量。包括行程傳感器管體(內部裝有緊密排列的干簧管和電阻組成的等效電位器電路)、行程傳感器磁環、接線插座(如圖9所示)及交換電路。

圖9 行程傳感器構成Fig.9 Composition of distance sensor

b.傾角傳感器。目前國內煤礦設備有采用油缸內置傳感器檢測油缸行程計算截割頭截割位置的控制方法，測試精度高，但傳感器的安裝較復雜，需換內部鉆孔的配套油缸，該組合造價高，對控制器的要求也高。綜合考慮煤巷測試環境要求，提出直接選取傾角傳感器安裝在截割臂側面，測截割臂垂直擺角，其控制簡單，滿足煤巷精度要求，且安裝便捷、成本低。

傾角傳感器采用無接觸觸點的磁敏電阻型重力擺式傾斜角傳感，經過低功耗標準電壓變送電路，輸出穩定的電壓信號，工作電流小，可靠性高，是本安型設計。密封性好，耐水、油和腐蝕性氣體，能抗振和適應惡劣環境。傾角傳感器實物圖見圖10，輸出特性曲線見圖11。

圖10 傾角傳感器實物圖Fig.10 Picture of angle sensor

圖11 傾角傳感器輸出特性曲線圖Fig.11 Diagram of angle sensor output characteristic graph

c.測速傳感器。采用新型SMR磁敏感元件，頻響寬，穩定性好，抗干擾強，并內裝放大整形電路，輸出為兩路有相位差的幅度穩定的方波信號，如圖12所示。具有判向功能，能分辨齒輪、齒條的運動方向，具有編碼器的功能，可以測量雙向運動的位移量和正反角度轉動的角度值。產品可靠性高，堅固耐用。實物圖如圖13所示。

3)比例放大器。比例放大器又稱放大板，主要用于系統中電液比例閥的控制。具有兩個互相獨立運行的比例放大器，并有很好的調節精度?？赏瑫r控制3位3通或3位4通比例閥(每個閥有一個雙比例電磁鐵或兩個單獨的比例電磁鐵通過開關a、b進行交替動作。因此，此放大器主要控制帶E(電磁鐵)或E/A(電磁鐵或手動控制)操作的PSL(V)或SWS2-MP型等帶兩個電磁鐵的比例方向滑閥。

比例放大器主要特點為:一個放大器可用12 VDC和 24 VDC電源;可以使用±5 VDC和±10 VDC兩種穩定的電壓和參考電壓;用多圈電位器，可在兩個方向精確地調節基本和最大電流;精確地維持額定電流;顫振信號疊加到輸出電流上，顫振幅值可調，顫振頻率均55 Hz;用多圈電位器可調節遞增和遞減斜坡時間;輸出短路和接地短路保護。比例放大器保護功能完善，具有輸出短路和接地短路保護功能以及故障指示燈。

4)負載敏感式比例多路換向閥組。本項目使用防爆負載敏感式比例多路換向閥。該閥組由電磁力馬達、比例減壓閥和液動換向閥等組成，用于控制液壓執行元件運動方向，無級調節執行元件運動速度，可使多個執行元件同時并相互獨立地以不同速度和壓力工作，直到所需流量總和達到泵總排量為止。比例減壓閥在這里作為先導級使用，以其出口壓力控制液動換向閥的正反開口量大小，控制液流的方向和流量的大小。

5.2.2.2 軟件系統

圖12 雙路測速傳感器輸出波形Fig.12 Diagram of double channel speed test sensor output characteristic graph

圖13 雙路測速傳感器實物圖Fig.13 Picture of double channel speed test sensor

本系統可以實現任意形狀斷面輪廓的自動截割，使用者可以隨時設計、編輯和修改斷面，在使用過程中還可以隨時對斷面輪廓進行平移、放大、縮小、旋轉等微調操作。

1)主要軟件功能。

a.掘進機的截割操作分為自動和手動兩種方式，在自動截割成形模式下，系統預存多個巷道的截面圖形輪廓線，操作人員選擇某種圖形后系統能夠根據設計輪廓執行自動截割操作，自動截割時顯示屏應能夠顯示掘進機截割頭能夠截割的最大區域、自動截割輪廓、截割頭在輪廓中的實際位置、截割頭的坐標信息等。

b.系統可以存儲多種巷道斷面輪廓的信息，使用者可以根據實際需要對預置的巷道斷面輪廓信息進行修改，也可以自己編輯增加新的巷道輪廓信息參數并進行存儲和隨時調用。操作者還可以隨時對斷面信息進行微調，如:上下平移、放大、縮小、巷道底板平移等。

c.系統在自動截割狀態進行手動操作時具有超限位警告提示和禁止繼續操作功能。

d.截割頭空間位置傳感器更換型號或參數發生變化時可以在顯示屏上進行傳感器參數修改并存儲，提高了系統靈活性、方便程序的移植。

e.上位機顯示畫面能夠顯示設備的狀態信息:電機電流、溫度、電壓、計時等，并能隨著傳感器參數的變化而修改。

2)巷道斷面自動截割成形控制顯示菜單內容。人機界面采用大屏幕液晶顯示屏，能夠實時地以圖像的形式顯示截割臂及截割頭的空間位置及斷面軌跡畫面，顯示非常直觀，操作者可以通過屏幕隨時了解到截割狀態及位置，還能夠顯示系統的故障和報警信息，并具有信息記錄和查詢功能。見圖14至圖16。

各個頁面的參數均可以通過操作箱或遙控器的按鍵進行修改，參數修改設有各種權限，只有輸入密碼正確后才能取得相應的操作權限，提高了系統的靈活性和安全性。

5.3 恒功率自動調節系統

該機還具有恒功率自動調節系統。通過傳感器采集截割電機的運行參數，判斷出其運行狀態，并將信息反饋到IPC，IPC經過處理后輸出進刀調整的信息，以保證在規定的功率下高效工作，既提高了效率，又保護了電機不會過載。

圖14 傳感器參數設定頁面Fig.14 Sensor parameter setting page

圖15 故障報警查詢頁面Fig.15 Fault alarm inquire page

圖16 輸入輸出信息顯示頁面Fig.16 Information of input and output display page

5.4 巷道斷面自動截割成形控制系統試驗

1)截割控制精度分析。為了充分認識并減小或消除誤差，必須對誤差進行理論分析，從而確定斷面自動成形的控制精度。誤差可能產生于以下幾個環節。

a.截割臂空間位置檢測裝置測量誤差。分析油缸內置行程傳感器的檢測靈敏度，確定行程傳感器檢測誤差與斷面邊界控制誤差之間的關系。從而，當確定傳感器的檢測精度后，可計算出邊界控制誤差范圍。

b.控制方法誤差。自動截割步距的設定會引起邊界的超挖或欠挖，步距值設定過小，誤差值會相對減小，但是截割效率會下降;步距值設定過大，引起的誤差將增大。確定截割步距與邊界誤差的關系式，從而選取能使截割效率相對較高、誤差相對較小的截割步距值。

c.掘進機升降、回轉油缸慣性誤差。當截割頭運動到邊界時，由于慣性的作用會產生一定的誤差。由于無法實驗室模擬與計算，擬定進行現場試驗，測量掘進機升降、回轉油缸慣性誤差最大值。

2)調試效果及所獲結論。矩形斷面的自動截割成形控制試驗效果圖如圖17所示。

圖17 矩形斷面類S路徑截割圖Fig.17 Rectangle section quasi-S type route cutting

梯形斷面的自動截割成形控制試驗效果圖如圖18所示。

圖18 梯形斷面類S路徑截割圖Fig.18 Trapezium section quasi-S type route cutting

目前掘進機自動截割運行試驗效果良好，截割過程中掘進機機身無明顯晃動，無累積偏差，截割斷面單邊定位精度＜40 mm，回轉重復精度＜20 mm，巷道斷面自動截割成形完全符合煤巷質量標準要求。

6 結語

EBH300(A)巖石掘進機于2009年5月份在新汶礦務局新巨龍礦輔一大巷1#聯巷以北至2#聯巷段投入使用，長度約 600 m，巖石硬度 29～116.2 MPa，采用全斷面錨噴支護。巷道斷面為半圓拱，寬5.7 m，高 4.3 m，斷面面積 23.8 m2。井深810 m，頂板巖石不穩固，易于掉落。2009年7月至10 月平均進尺分別為:4.55、4.52、4.12、4.5 m/d。目前累計進尺2 700 m，創造了巖巷掘進零事故的驕人成績。目前已經有近十臺在不同的巖巷掘進中應用，掘進效率高，運行穩定可靠，得到了用戶的認可。

實踐證明EBH300(A)巖石掘進機的研制是成功的，它擁有多項專利技術和世界先進的創新技術，綜合性能達到了世界先進水平，是我國巖巷掘進最先進、最實用的重型裝備，使我國大型煤礦裝備制造水平提高了一大步。

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